TW201509617A - 機械手臂精度量測系統及其量測方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂精度量測系統及其量測方法，其包含有一基準平板、至少兩感測探頭及一球透鏡組，該基準平板可設於機械手臂之工作平台，而各該感測探頭係設於基準平板上，且感測探頭係由兩個雷射發射件與兩個四象限光位置檢知器以水平交錯方式設置所構成，又球透鏡組則係設於機械手臂末端，使球透鏡組可隨同機械手臂進行X軸、Y軸及Z軸的位移，藉此，機械手臂的移動過程中，可利用該球透鏡組於各該感測探頭間往復量測，供即時檢測機械手臂關節軸之組合誤差與單一關節軸之誤差，即時產生一補償參數，以供機械手臂進行補償動作。

Description

機械手臂精度量測系統及其量測方法

本發明係關於一種機械手臂之精度量測技術，具體而言係指一種架構簡單之機械手臂精度量測系統及其量測方法，藉以能快速精準量測，以降低量測成本，且高量測之精度。

按，工業自動化發展日新月異，周邊自動化機械設備的精度要求越來越高，尤其以機械手臂最為注重。一般常用於機械工業上的機械手臂分為直角坐標式、關節式、並聯式【平行結構】與水平多關節機械手臂【Selective Compliance Assembly Robot Arm,SCARA】等四種，而此處所探討者係其中水平多關節機械手臂的精度檢測，此種機械手臂通常是由四個關節軸所組成，藉由四關節轉換成任何形式之水平與垂直運動。這樣的運動方式下各關節軸誤差累積下該機械手臂會產生一個極大的誤差。而該機械手臂的誤差不僅出現在組裝上，且該機械手臂在長期工作操作下所造成的各零件磨耗，也會嚴重影響到該機械手臂的定位與重複定位之精度，所以必需定期對該機械手臂做檢測以及校正，來穩 定該機械手臂的精度。

一般市售之量測系統多以雷射光作為量測媒介，如雷射追蹤儀或CCD影像擷取方式。此類系統雖然是屬於非接觸量測系統、有著靈敏度和穩定性高的優點。但確有著下列幾項缺點：首先，量測精度易受溫度、氣壓和濕度的影響。

其次，在量測前需先進行暖機，量測時光路不能被阻擋，使用上有著角度和空間的限制。

另外，在變換量測軸誤差時，習式量測系統的光路鏡組就必須重新架設校準，量測步驟相當繁瑣。

最後，現有量測系統的校正方式，雷射對準不易，無形間增加作業時間與量測的精準度。

換言之，現有的機械手臂量測系統具有架構複雜、作業時間長等問題，甚至影響到量測的精準度，因此如何解決此一問題，係目前業界一項重要的課題。

有鑑於此，本發明人乃針對前述現有量測系統所面臨之問題深入探討，並藉由本創作人多年從事相關產業之研發與開發的經驗，而積極尋求解決之道，經不斷努力之研究與發展，終於成功的開發出一種機械手臂精度量測系統及其量測方法，藉以克服現有者因結構繁複、操作不易所造成的困擾與不便。

本發明之目的即在於提供一種機械手臂精度量測系統及其量測方法，藉以能簡化架構，且可縮短量測時間。

本發明之次一目的係在於提供一種機械手臂精度量測系統及其量測方法，其能讓一般機械操作員也能及時對機械手臂進行精度檢測，並可提高其檢測之精準度。

可達成上述發明目的之機械手臂精度量測系統係用於檢測一設於工作平台之水平多關節式機械手臂各關節軸之誤差，其包含有：一基準平板，供設於該工作平台上；至少兩感測探頭，各該感測探頭係設於該基準平板上，且各該感測探頭係於一端設有兩具相對夾角之雷射發射件，供產生雷射光源，而另端分設有兩供接收相對雷射光源之四象限光位置檢知器；一球透鏡組，其係設於機械手臂上，供隨機械手臂相對基準平板產生X軸向、Y軸向或Z軸向之位移，該球透鏡組具有一供各該感測探頭雷射光源穿透之透明球部。

藉此，透過上述技術手段的具體實現，使得本發明機械手臂的移動過程中，可利用該球透鏡組於各該感測探頭間往復量測，供即時檢測機械手臂關節軸之組合誤差與單一關節軸之誤差，且利用即時產生一補償參數，以供機械手臂進行補償動作，藉以能簡化架構，且可縮短量測時間其能讓一般機械操作員也能及時對機械手臂進行精度檢測，並可提高其檢測之精準度而能有效增加產品的附加價值，並提 升其經濟效益。

1‧‧‧量測系統

2‧‧‧基準平板

3‧‧‧感測探頭

31‧‧‧基座

321‧‧‧雷射發射件

322‧‧‧雷射發射件

331‧‧‧四象限光位置檢知器

332‧‧‧四象限光位置檢知器

4‧‧‧球透鏡組

41‧‧‧承載座

45‧‧‧透明球部

5‧‧‧機械手臂

55‧‧‧法蘭部

6‧‧‧工作平台

7‧‧‧電腦

S10‧‧‧架設量測系統

S20‧‧‧校正正交度

S30‧‧‧設定量測原點

S40‧‧‧編寫機械手臂路徑

S50‧‧‧編寫量測路徑

S60‧‧‧量測各軸誤差值

S70‧‧‧分析誤差值

S80‧‧‧執行補正

圖1為本發明機械手臂精度量測系統的簡要架構示意圖。

圖2為本發明機械手臂精度量測系統中感測探頭的架構示意圖。

圖3為本發明機械手臂精度量測系統中球透鏡組的架構示意圖。

圖4為本發明機械手臂精度量測系統中感測探頭於實際使用時動作示意圖。

圖5為本發明機械手臂精度量測系統之量測方法的流程步驟示意圖。

圖6為本發明機械手臂精度量測系統於實際使用時動作示意圖。

圖7為本發明機械手臂精度量測系統於實際使用時側視動作圖。

圖8為本發明機械手臂精度量測系統於實際使用時另一側視動作圖。

圖9為本發明機械手臂精度量測系統於實際使用示意圖；說明本發明運用於量測多組感測探頭之情況。

請參閱圖1，本發明所提供之機械手臂精度量測系統及其量測方法，該量測系統1、具有一基準平板2、至少兩感測探頭3及一球透鏡組4所組構而成。

該量測系統1係用於檢測一水平多關節式機械手臂5之位移定位與重複定位精度，該機械手臂5係設於一工作平台6上，且該機械手臂5末端具有一法蘭部55(Flange)，透過該機械手臂5之四個關節軸動作，可讓其法蘭部55相對工作平台6產生X軸、Y軸及Z軸等方向之位移。

該基準平板2係選擇花崗岩板，且該基準平板2可被平置於機械手臂5之工作平台6表面，且基準平板2位於機械手臂5之法蘭部55可工作範圍內，又各該感測探頭3係如圖2所示，其係於一基座31一端設有兩具相對夾角之雷射發射件321、322，而基座31另端分設有兩各別對應前述雷射發射件321、322之四象限光位置檢知器332、331，且該兩雷射發射件321、322之電射光束呈水平交錯狀【如圖4所示】，供電射光束經前述球透鏡組4後利用各該四象限光位置檢知器332、331接收相對之雷射發射件321、322所發出的雷射光束，其中四象限光位置檢知器332所接收之雷射光束是檢測機械手臂X軸與Z軸之誤差，另一夾腳之四象限光位置檢知器331所接收之雷射光束是檢測機械手臂Y軸之誤差，又前述之球透鏡組4包含有一供選擇性固設於法蘭部 55之承載座41及一供電射光束折射之透明球部45。利用兩感測探頭3可量測機械手臂1單軸誤差、多軸同動誤差與單軸背隙、多軸同動背隙與機械手臂各軸向之振動係數。

藉此，透過設於工作平台6上具感測探頭3之基準平板2以及設於機械手臂5之法蘭部55上的球透鏡組4，而組構成一結構簡單之機械手臂量測系統者。

而本發明量測系統之量測方法則係如圖5所示，其步驟包含有、一架設量測系統S10、一校正正交度S20、一設定量測原點S30、一編寫機械手臂移動路徑S40、一編寫量測路徑S50、一量測各軸誤差值S60、一分析誤差值S70及一執行補正S80等步驟；其中：首先，進行架設量測系統S10之步驟，完成機械手臂5安裝後，將量測系統1中具有至少兩組以上的感測探頭3之基準平板2安裝於該工作平台6上，且將量測系統1中之球透鏡組4利用其承載座41固設於機械手臂5的法蘭部55上，使球透鏡組4之透明球部45可對應各該感測探頭3。

接著，進行校正正交度S20之步驟，在完成機械手臂5與量測系統1之安裝後，將一典型之千分量錶架設於機械手臂法蘭面上，令該機械手臂之任一線性軸與量測系統1之基準平板2的標準面平行。得機械手臂5與感測器探頭3之坐標軸呈正交狀。

之後，進行設定量測原點S30之步驟，如圖6所示，在完成校正正交度S30後，控制機械手臂5至基準平板2上任一感測探頭3之原點【0,0,0】作為量測之起始點，其他感測探頭3與該做為原點之第一組感測探頭3的相對位置則利用之三次元量床求出。

緊接著，編寫機械手臂路徑步驟S40，當完成設定量測原點S30步驟後，即開始編寫機械手臂程式控制兩組感測探頭3相關位置之路徑。

接下來，進行編寫量測路徑S50之步驟，在完成量測原點與編寫完成機械手臂路徑之設定後，使用發明人所開發之機械手臂量測軟體，供透過圖形程式之介面，提供量測人員了解即時位移誤差情況與靜態抓值功能、動態抓值功能，能讓量測人員快速熟悉操作介面。

之後，進行量測各軸誤差值S60之步驟，如圖7及圖8所示，要測量機械手臂5個關節軸之誤差時，利用機械手臂追蹤量測系統1基準平板2的X軸向或Y軸向使機械手臂5之X或Y軸向與基準平板2之基準面重和後，即可開始對機械手臂5進行定位精度與重複精度之檢測。而當機械手臂5上球透鏡組4進入對應之各該感測探頭3時，各該感測探頭3可以該兩組雷射發射件321、322之雷射光束做為光源，並利用對應之該兩組四象限光位置檢知器332、331接收訊號，其中四象限光位置檢知器332是用來讀取透明球部45 空間座標中X軸與Z軸之訊號，另一相對夾角之四象限光位置檢知器331是用來讀取透明球部45空間座標中Y軸之訊號，由上述之構件即可量測出雷射光束經球透鏡組4透明球部45後在三維空間中的座標訊息，並用來當作傳達待測物的位移訊息的介質，且將各該量測之座標訊號輸出至一電腦軟體界面上。其中該進行量測各軸誤差值S60之步驟，量測路徑除了以兩個檢測探頭3之間的路徑(即水平位移)外，進一步包含有量測Z軸之誤差值(如圖8所示)，或同時量測X、Y、Z軸之誤差值以及多組感測探頭量測(如圖9所示)。

接著，進行分析誤差值S70之步驟，在完成座標量測後，由於量測後之座標訊號係輸出至一電腦7中，並透過內建之軟體程式計算即時檢測機械手臂5上各該關節軸之組合誤差與單一關節軸之誤差，並求得一補正參數。

最後，進行執行補正S80之步驟，在求得補正參數後，即可提供操作人員進行機械手臂5各該關節軸之校正，且再依前述量測各軸誤差值S60之方式重新量測，直到完成校正為止。

本發明透過前述量測系統與量測方法，使本發明在機械手臂5之量測上有別於習式以雷射光為媒介的量測，且具下列幾項突出之優點：首先，系統架設容易，使用者能即時對機械手臂5進行量測動作。再者，校正快速【校正時間約為雷射干涉儀校正系統的1/2】，並可以即時建立補 償報表。更甚者，程式介面人性化，使用者可以快速上手，同時攜帶方便，可以方便協助客戶進行校正。因此，本發明將量測系統模組化使安裝更為簡便，能讓工程師節省許多量測工作時間之浪費，且此量測系統無須暖機，開啟後能立即對機械手臂5進行量測，並能大幅降低其量測時間。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1‧‧‧量測系統

2‧‧‧基準平板

3‧‧‧感測探頭

4‧‧‧球透鏡組

5‧‧‧機械手臂

55‧‧‧法蘭部

6‧‧‧工作平台

7‧‧‧電腦

Claims (5)

1. 一種機械手臂精度量測系統，該量測系統係用於檢測一設於工作平台之水平多關節式機械手臂各關節軸之誤差，其包含有：一基準平板，供設於該工作平台上，且該基準平板位於機械手臂之工作範圍內；至少兩感測探頭，各該感測探頭係設於該基準平板上，且各該感測探頭係於一端設有兩具相對夾角之雷射發射件，供產生雷射光源，而另端分設有兩供接收相對雷射光源之四象限光位置檢知器；一球透鏡組，其係設於機械手臂上，供隨機械手臂相對基準平板產生X軸向、Y軸向或Z軸向之位移，該球透鏡組具有一供各該感測探頭雷射光源穿透之透明球部。相對夾角雷射發射件之雷射光源入射至透明球部，在出射至四象限光位置感知器面上，當機械手臂定位精度有一空間誤差值時，相對夾角之出射雷射光便會在四象限光位置檢知器面上產生一偏移量訊號，此訊號經由電腦程式計算後即可顯示機械手臂X、Y、Z軸之誤差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂精度量測系統及其量測方法，其中該感測探頭具有一可置於基準平板之基座，而各該雷射發射件與各該四象限光位置檢知器分設於基座相對兩端，其中四象限光位置檢知器用來讀取機械手 臂空間位置中X軸與Z軸訊號，另一相對夾角之四象限光位置檢知器是用來讀取機械手臂空間座標中Y軸之訊號。利用至少兩感測器探頭可量測機械手臂單軸誤差、多軸同動誤差與單軸背隙、多軸同動背隙與機械手臂各軸向之振動係數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂精度量測系統及其量測方法，其中該球透鏡組包含有一供選擇性固設於機械手臂之承載座，而透明球部係設於承載座底端。
4. 一種應用於請求項1之機械手臂精度量測系統之量測方法，其包含有：步驟a、架設量測系統，將量測系統中具有至少兩個感測探頭之基準平板安裝於該工作平台上，且將球透鏡組固設於機械手臂上，使球透鏡組之透明球部可對應各該感測探頭；步驟b、校正正交度，將一千分量錶架設於機械手臂法蘭面上，令該機械手臂任一線性軸校正與量測系統之基準平板的標準面平行，機械手臂與感測器探頭之坐標軸即呈正交狀；步驟c、設定量測原點，控制機械手臂至基準平板上任一感測探頭之原點作為量測之起始點，其他感測探頭與該做為原點之第一組感測探頭的相對位置則利用前述之三次元量床求出； 步驟d、編寫機械手臂量測位移之路徑，編寫機械手臂程式控制球透鏡組於各組感測探頭相關原點位置移動之路徑；步驟e、量測各軸誤差值，量測路徑編寫完成後，即可開始對機械手臂進行定位精度與重複精度之檢測，當機械手臂上球透鏡組進入對應之各該感測探頭時，各該感測探頭可以該兩組雷射發射件之雷射光做為光源，並利用對應之該兩組四象限光位置檢知器接收訊號，可量光線經球透鏡組透明球部後在三維空間中的座標訊息，將各該量測點之座標誤差訊號輸出至一電腦軟體界面上；步驟f、分析誤差值，由於量測後之座標訊號係輸出至該電腦中，並透過內建之軟體程式計算即時檢測機械手臂上各該關節軸之組合誤差與單一關節軸之誤差，並求得一補正參數；步驟g、執行補正，提供操作人員進行機械手臂各該關節軸之校正。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機械手臂精度量測系統之量測方法，其中該執行補正之步驟如未完成校正，則可依步驟e之量測各軸誤差值的方式重新量測，直到完成校正為止。